冲压在汽车生产中的应用

1摘要：介绍冲压在汽车生产中的应用，汽车车身覆盖件的冲压工艺，以及冲压工艺的进步和发展。关键词：汽车覆盖件冲压工艺冲压件发展前言当今汽车制造业已进入了发展新阶段，尤其是冲压技术的不断进步，在很大程度上对汽车制造质量和成本产生直接而重要的影响。模块化冲压技术、新模具材料、特种冲压成型，尤其是计算机辅助技术极大促进了冲压技术的发展。随着制造业、汽车工业全球化、网络化和虚拟化的不断深入，汽车冲压工艺技术和模具技术的发展已与先进制造技术、智能技术、电子信息及计算机集成技术等众多学科相互交叉、紧密结合。汽车制造中有60%-70%的金属零部件需经塑性加工成形，冲压加工是完成金属塑性成形的一种重要手段，它是最基本、最传统、最重要的金属加工方法之一。如车身上的各种覆盖件、车内支撑件、结构加强件，还有大量的汽车零部件，如发动机的排气弯管及消声器、空心凸轮轴、油底壳、发动机支架、框架结构件、横纵梁等等，都是经冲压成形技术，正向精密、多功能、高效节能、安全清洁的生产方向发展。而汽车覆盖件又是汽车冲压件的关键部分。所以，冲压工件的制造工艺水平及质量，在较大程度上对汽车制造质量和成本有直接的影响。一、汽车覆盖件的冲压成形1、汽车覆盖件是指构成汽车车身或驾驶室、覆盖发动机和底盘的薄金属板料制成的异形体表面和内部零件。轿车的车身、载重车的驾驶室等都是由覆盖件和一般冲压件构成的，覆盖件组装后构成了车身或驾驶室的全部外部和内部形状，它既是外观装饰性零件，又是封闭薄壳状的受力零件。覆盖件表面一般都具有装饰性，除考虑好用、好修、好制造外，要求美观大方。2、覆盖件与一般冲压件的区别：材料薄形状复杂（多为立体曲面），结构尺寸大，尺寸精度高，因此冲压工艺编制、冲模设计、冲模制造工艺都有一些特殊的要求，冲压设计中常把它作为一种特殊类型研究。3、按功能和部位分类，覆盖件可分为外部覆盖件、内部覆盖件和骨架类覆盖件三类。外部覆盖件和骨架类覆盖件的外观质量有特殊要求，内部覆盖件的形2状往往更复杂。同一般冲压件相比，覆盖件一般由0.8mm-2.0mm的冷轧薄钢板冲压而成，具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表面质量要求高等特点，其制造工艺设计、冲模结构设计和冲模制造工艺等都具有特殊性。因此，覆盖件的制造是汽车车身制造的关键环节。二、汽车覆盖件的成形特点汽车覆盖件的质量要求和结构特点决定了其冲压成形的特点：(1)一次拉深成形对于轴对称零件或盒形零件，若拉深系数小于一次拉深的极限拉深系数时，则不能一次拉深成形，需要采用多次拉深成形方法，而且可以计算出每次拉深的拉深系数、工艺参数、毛坏尺寸等。但对于汽车覆盖件来说，由于其结构、变形复杂，其规律难以定量把握，以目前的技术水平还不能进行多次拉深工艺参数的确定。而且多次拉深形成的冲击线、弯曲痕迹线也会影响油漆后的表面质量。因此，汽车覆盖件的成形都是采用一次拉深成形的方法，但其冲压难度与复杂性也就相应增加了。(2)拉胀复合成形汽车覆盖件的成形过程中的毛坯变形不是简单的拉深变形，而是拉深和胀形变形同时存在的复合成形。一般来说，除内凹形轮廓(如L形轮廓)对应的压料面外，压料面上的毛坯的变形为拉深变形(径向为拉应力，切向为压应力)，而轮廓内部，特别是中心区域毛坯的变形为胀形变形(径向和切向均为拉应力)。(3)局部成形局部成形轮廓内部有局部形状的零件冲压成形时，压料面上的毛坯受到压边圈的压力，随着凸模的下行而首先产生变形并向凹模内流动，当凸模下行到一定深度时，局部形状开始成形，并在成形过程的最终时刻全部贴模。所以，局部形状外部的毛坯难以向该部位流动，该部位的成形主要靠毛坯在双向拉应力下的变薄来实现面积的增大。通常覆盖件都有一些局部形状如凸缘、凹槽、加强筋等。(4)变形路径变化汽车覆盖件冲压成形时，内部的毛坯不是同时贴模，而是随着冲压过程的进行而逐步贴模。这种逐步贴模过程，使毛坯保持塑性变形所需的成形力不断变化，毛坯各部位板面内的主应力方向与大小、板平面内两主应力之比等受力情况不断3变化，毛坯(特别是内部毛坯)产生变形的主应变方向与大小、板平面内两主应变之比等变形情况也随之不断地变化。即，毛坯在整个冲压过程中的变形路径不是一成不变的，而是变路径的。这种变形路径的变化使得坯料在成形过程中的变形更加复杂。三、汽车覆盖件的主要成形缺陷汽车覆盖件在冲压过程中最常见的几种失效形式包括起皱、破裂和回弹过大，产品设计、模具制造和材料选择时，应当以不产生这些缺陷为前提。(1)起皱起皱是压缩失稳在薄板冲压成形过程中的主要表现形式。薄板冲压成形时，为使金属产生塑性变形，模具对板料施加外力，在板内产生复杂的应力状态。由于板厚尺寸与其它两个方向尺寸相比很小，因此厚度方向是不稳定的。当材料的内压应力使板厚方向达到失稳极限时，材料不能维持稳定变形而产生失稳，此种失稳形式为压缩失稳。起皱发生时，皱纹的走向与压应力垂直，但我们不能简单地认为任何起皱都是压应力引起的。工业上经常采用增加压边力或设置拉延筋等方法来抑止起皱的产生，但会导致板材成形极限下降，可能使零件产生开裂。因此，避免起皱必须以板材不破裂为基本条件。实际解决起皱的问题可以从产品形状、工序设计、模具设计与制造、冲压技术及材料选择等方面着手。在产品设计阶段，可以着重考虑从产品形状方面着手，在不损坏产品的性能和外观的前提下，达到解决起皱的目的。在工序设计及模具设计与制造方面，可采取的措施有工序的改变、合理的压料面形状及合适的拉延筋位置和形状等。材料方面，要使用低屈服点和延伸率大的材料，并选择合适的半径值。(2)破裂破裂是拉伸失稳的最后阶段，主要产生在以拉应力为主的塑性变形过程中，是衡量冲压板材是否达到极限变形能力的标志，也是冲压过程应该避免的首要缺陷。在板料成形过程中，随着变形的发展，材料的承载面积不断缩减，其应变强化效应不断增加。当应变强化效应的增加能够补偿承载面积缩减时，变形稳定的进行下去；当两者恰好相等时，变形处于临界状态；当应变强化效应的增加不能补偿承载面积缩减时，即越过了临界状态，板料的变形将首先发生在承载能力弱的位置，继而发展成为细颈，最终导致板料出现破裂现象。4避免破裂的主要措施有：修正模具参数；选择合理的板料形状和尺寸；改变压边力；改善润滑条件；修正拉延筋的形状，参数以及布局:选择强度指标较高的材料等。(3)回弹在板料成形终了阶段，随着变形力的释放或消失，成形过程中存储的弹性变形能要释放出来，引发内应力的重组，进而导致零件整体形状改变。这种现象我们称之为回弹。回弹是模具设计中要考虑的关键因素，零件的最终形状取决于成形后的回弹量。弹塑性材料在成形后都存在回弹问题，特别是在弯曲变形和浅拉深变形过程中更为明显，而零件的回弹量与模具几何形状、材料性能参数、摩擦接触等众多因素密切相关。当零件的回弹量超过零件的允许容差后，就成为成形缺陷，影响产品的尺寸精度。随着汽车工业和航空工业的发展，对薄板壳类零件成形精度的要求越来越高，特别是近年来由于高强度薄钢板和铝合金板材的大量使用，回弹问题更为突出，成为汽车和飞机等工业领域关注的热点问题。目前，生产中解决回弹过大的问题主要从材料选择、产品设计和工艺改进等方面着手，其主要考虑因素包括材料的屈服强度、弹性模量、弯曲角、相对弯曲半径、模具间隙、回弹补偿和弯曲矫正等。四、总结目前，我国汽车冲压件的加工工序数，是根据冲压件结构，由冲压工艺人员确定的。在产品开发及设计时，重视整车性能及效果，而冲压件的工艺性及经济性考虑的不够，冲压工序数较多。国外各大汽车制造厂把冲压工序数设计作为降低汽车制造成本的重要途径，在载货汽车及普及型轿车车身覆盖件的最先进设计中，冲压工序数不超过4序（个别零件为5序），平均工序数小于3.2序，一般轿车覆盖件的工序数略高于载货汽车。我国汽车冲压件产品设计越来越注重加工工艺性及经济性,冲压工序数将逐渐减少。冲压新材料将广泛采用,由普通冷轧钢板向低合金高强度钢板、镀锌钢板方向发展,成形性能逐步提高。卷料使用率逐步达100%,开卷剪切自动线将广泛应用。多连杆压力机单动冲压线将逐步取代双动压力机冲压线,压力机的气垫将由下气垫发展为上、下气垫。国外各大汽车制造厂,冲压原材料主要采用低合金结构钢和镀锌钢板。镀锌钢板有双面镀锌板及单面镀锌板,具有良好的成形性5能。镀锌钢板主要应用于轿车车身,起防腐及提高使用寿命的作用。汽车车身覆盖件在不同纲领时,冲压线发展趋势如下：年产5万辆左右的冲压车间采用手动冲压线；年产10万辆左右的冲压车间,将采用手动冲压线及半自动冲压线；年产15-20万辆的冲压车间,将采用半自动冲压线、自动冲压线及大中型多工位压力机生产线；年产25万辆以上的冲压车间,将采用冲压自动线及大中型多工位压力机生产线。废料处理将向地下废料输送系统、集中打包及自动化控制方向发展。冲压线相关设备的自动化水平将逐步提高。冲模设计、制造将向CAD/CAM方向发展,冲模精度将逐步提高,重量向轻量化方向发展,冲模造价逐步降低。汽车冲压件中英文名称对照表英文名称中文名称INSTALL安装ASSY总成PANELPNL板PILLAR柱DOORDR门HOOD盖S/MBR纵梁C/MBR横梁BRACE支柱BRACKETBRKT支架FRDR前门RRDR后门BARS-IMPACTRRDR后门侧防撞杆BRKS-IMPACTRRFRDRLH前门防撞杆后支架BRKTANTIZIPPERLH前地板与门槛内板左连接板BRKTBUMPER前保险杠支架BRKTCTRBPRMTG后保险杠中部支架BRKTFASCIAMTG保险杠安装支架BRKTFENDERLWRLH左侧前轮挡泥板下部支架BRKTFENDERLWRRH右侧前轮挡泥板下部支架BRKTFENDERUPRLH左侧前轮挡泥板上部支架BRKTFENDERUPRRH右侧前轮挡泥板上部支架BRKTFOOTREST(LHD)踏脚板支架BRKTGLSGUIDEDOOR玻璃导轨支架BRKTS-IMPACTCTRFRDR前门防撞杆中支架BRKTSUPTS-IMPACTRRDRLH左后门侧防撞杆支架BRKTSUPTS-IMPACTRRDRRH右后门侧防撞杆支架BRKTUPRBUMPERMTG保险杠安装上支架BRKTENGMOUNT发动机悬置支架6BRKTSPRINGHOUSERH右前悬挂上支座BRKTFUELTANKCOMMON油箱安装左后支架BULKHEADHINGEFRTLWRLH左侧前门下部铰链加强板隔板BULKHEADHINGEFRTLWRRH右侧前门下部铰链加强板隔板BULKHEADR/FLRS/MBRLH后地板左纵梁隔板BULKHEADR/FLRS/MBRRH后地板右纵梁隔板BULKHEADSILL门槛隔板C/MBRBACKBONE中央通道横梁C/MBRFRENDOTR散热器下横梁外板C/MBRR/FLR后地板中横梁C/MBRR/SEAT后地板前横梁下板C/MBRF/FLRLH前地板左前横梁C/MBRF/FLRRH前地板右前横梁参考文献：1.刘秉毅材料成型工艺基础高等教育出版社20052.崔令江汽车覆盖件冲压成形技术机械工业出版社20033.翁其金徐新成冲压工艺及冲模设计机械工业出版社20044.崔煜覆盖件冲压成形西华大学20085.梅自元车身覆盖件冲压成形华东交通大学20086.GanWei，Wagoner,R.H.Diedesignmethodforsheetspringback.InternationalJournalofMechanicalSciencesVolume:46,Issue:7,July,2004